专利名称：具有集成加热器和加强结构的燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于燃料电池的叠层结构和加热机构。
背景技术：
固体氧化物燃料电池(SOFC)典型在超过800℃的温度下工作。升高的温度增加了催化反应速率和通过燃料电池中的固体电解质的离子传输。典型的燃料电池由外部加热器加热，此加热器将燃料加热至足以催化的温度。来自放热反应的热量进一步将电池工作温度增加至最佳值。然而，用于使足够量的加热燃料和空气经过燃料电池叠层以及将电池元件加热至催化反应自维持的水平所需的时间降低了电池效率并浪费了燃料。因此，人们需要更有效的方法来加热燃料电池叠层。
燃料电池可以被制造成具有双室结构和单室结构。空气和燃料分别地引入双室系统。在双室结构中，阴极仅暴露于空气，阳极仅暴露于燃料。电解质是气密性的，仅允许氧离子通过，不允许电子通过。由于燃料电池越小、电解质膜就越薄，因此降低了氧离子从阴极向阳极迁移的电阻。但是，较薄的薄膜还显示出降低的机械稳定性。并且它们更加昂贵并难以制造，必须气密的电解质进一步增加了双室结构的复杂性和成本。
单室燃料电池消除了这些问题中的一些。燃料和空气作为混合物引入到阳极和阴极的表面上，不需要气体可透过的电解质膜(Hibino，Science，2000，2882031)。但是采用燃料-气体混合物不能解决单室装置的机械难题。对于机械强度的需要降低了电解质和催化剂的可用表面积，还降低了每单位面积的功率输出。此外，在低功率需求期间，很难在不降低系统效率的条件下减少燃料用量或降低系统温度。因此，人们需要一种燃料电池结构，其在保持机械稳定性的同时增加催化表面积。
发明内容
本发明是一种燃料电池组件，该组件包括基板和设置在基板上并具有从基板向外突出的肋的电解质。此肋具有第一和第二侧面和顶表面。阳极设置在第一侧面上，阴极设置在第二侧面上。燃料电池还包括设置在从阳极、阴极、电解质中、肋和基板之间以及这些位置的任何组合中选出的位置处的电阻加热器。
参考几个附图描述本发明，其中图1A是根据本发明的一个实施例的一部分燃料电池的示意图；图1B是根据本发明的可选实施例的一部分燃料电池的截面图；图1C是根据本发明的可选实施例的一部分燃料电池的截面图；图1D是表示对于根据本发明实施例的集成加热器的可选结构的一部分燃料电池的截面图；图1E是表示对于根据本发明实施例的集成加热器的可选结构的一部分燃料电池的示意图；图1F是表示对于根据本发明实施例的集成加热器的可选结构的一部分燃料电池的截面图；图1G是表示对于根据本发明实施例的集成加热器的可选结构的一部分燃料电池的示意图；图1H是表示对于根据本发明实施例的集成加热器的可选结构的一部分燃料电池的截面图；图2是描述根据本发明实施例制造燃料电池的方法的流程图；图3是根据本发明实施例的燃料电池叠层和底层电阻器的示意图；图4A是在本发明的实施例中采用的、串联连接的燃料电池叠层的示意图；图4B是在本发明的实施例中采用的、并联连接的燃料电池叠层的示意图；图5A是在图1A中示出的燃料电池的侧视图，表示空气和燃料如何通过电池叠层循环，其中图5B的平面沿图5A中的方向5B示出；图5B是图5A中示出的燃料电池的示意图；图5C是根据本发明的燃料电池的可选实施例的截面图；图5D是在图5C中描述的实施例的示意图，图5C的平面是沿着图5D中的线5C示出。
具体实施例方式
本发明包括燃料电池组件，此组件包括基板、设置在基板上的电解质、阳极和阴极。电解质包括垂直于基板突出并包括第一和第二侧面及顶表面的矩形肋。阳极设置在第一侧面上，阴极设置在第二侧面上。电解质可包括限定出多个矩形肋的多个平行的沟槽。各凹槽具有设置在电解质中的底表面，组件进一步包括设置在底表面上并相邻交替凹槽的侧面的多个阴极和阳极。本发明还包括燃料电池，该燃料电池具有阳极、阴极和设置在它们之间的电解质。加热器设置在电解质、阳极、阴极和/或基板中。
本发明使用现代半导体制造技术，例如薄膜淀积、光刻、构图、各向异性或各向同性刻蚀。根据本发明的典型燃料电池具有沿着垂直取向的电解质淀积在凹槽中的电极(图1A)。垂直排列允许每覆盖的基板表面积的更大电极表面积，并且增加了相对于热或机械震动、在燃料和空气流中的压力梯度以及热应力的机械稳定性。电解质的薄度仅受光刻技术和用于形成沟槽的方法(例如，各向同性或各向异性刻蚀，牺牲材料，等)的分辨率的限制。薄电解质有助于经过电解质“壁”顶部的表面扩散并且降低了离子阻抗，将阻力降低至贯穿电解质体积的阴离子迁移率。此外，电解质结构增加了每基板表面积的催化表面积。因此，此燃料电池结构能够降低工作温度，增加功率产生。
图1A描述了根据本发明一个实施例、对于具有集成加热器的燃料电池的高密度电极结构。燃料电池10包括淀积在低导热层14上的叠层12。低导热层14将燃料电池叠层12与基板16分开。基板16可包括标准基板材料，例如硅或其他材料，这些材料可以通过光刻技术或标准刻蚀技术进行加工。耐热材料淀积在低导热陶瓷材料14的顶部之上并在其上构图。电解质20首先淀积在电阻器18之间的空隙中，然后淀积在电阻器18顶部上的层中。刻蚀掉电解质20的沟槽，由此限定出肋20a。各肋具有第一和第二侧21a和21b，相邻肋限定出具有底部21c的沟槽。因此，各沟槽由两条肋20a限定出并由一条肋的第二侧21b和下一条肋的第一侧21a限界。一条肋的第二侧21b、沟槽底部21c和下一条肋的第一侧21a利用适当的材料覆盖，从而形成交替的阴极22和阳极24。阴极22和阳极24材料淀积在沟槽26的侧面上，增加了供燃料和空气流过燃料电池叠层的表面积。因此，正如从上面所看到的那样，燃料电池是在电解质中的一组平行沟，其具有涂覆有阳极24和阴极22材料的交替列的侧壁。在一可选实施例中，沟槽填充有充当电极的多孔材料，如图1B所示。
可选择地或另外，加热器可设置在肋20a中(图1C)、电解质20的底部(图1C)、或者电极(图1B和1D)、或者这些位置的某种组合。加热器还可以作为覆层淀积在电极上。采用薄带(图1E)、多孔材料(图1F)或网板(图1G)可使气体达到催化表面。薄带或网板还可以设置在电极中(图1D)或电极和电解质之间(图1H)。阴极集流体23和阳极集流体25可以利用类似于图1B、D、E、F、G和H中对加热器所示的构造集成在阴极和阳极膜的顶部上、在阴极和阳极膜中、或者在电解质和电极之间。例如，集流体可以设置在电解质/电极的界面处(图1B)或者在电极的表面处(图1C)。集流体可以是多孔材料，这种材料在导电的同时允许气体扩散到电极表面。
由本发明提供的结构还便于制造并降低制造成本。燃料电池可以采用更少的加工步骤和标准制造加工工具制造出来。气密性的独立式薄膜的消除减少了在材料和制造处理方面的限制；此外，加强电极提高了产量。为了制造燃料电池，将低导热陶瓷材料例如氧化铝淀积在基板例如硅上。然后将电阻器例如铂淀积在热绝缘体上。选择的电阻器材料不仅要经受住升高的温度，而且还要耐得住由空气传播的气体例如氧和硫的腐蚀。电解质淀积在电阻器上。典型的电解质材料包括掺杂有钐的二氧化铈(SDC)、掺杂有钆的二氧化铈(GDC)、用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)以及掺杂有镁和锶的酸镧(LSGM)。沟槽通过刻蚀或其它技术形成，并且淀积阳极和阴极材料。典型的阴极材料包括钐锶辉(砷)钴矿、钆锶辉(砷)钴矿以及镧锶铁辉(砷)钴矿。典型的阳极材料包括Ni-SDC、Cu-SDC、Ni-GDC、Cu-GDC和Ni-YSZ。本领域的技术人员会熟知可用于制造根据本发明的燃料电池的各种相应的淀积技术。例如，可以采用气相方法例如CVD和原子层CVD、或者液相方法例如浸渍、以及各种电化学技术。
为了制造根据本发明一个实施例的燃料电池(图2)，设置基板202，将低导热材料淀积其上204。淀积电阻加热器206，接着淀积电解质208。形成阳极沟槽210，淀积阳极材料212。采用牺牲材料来填充阳极沟槽并覆盖阳极材料214。然后形成阴极沟槽216，淀积阴极材料218。最后，从阳极沟槽中除去牺牲材料220。可以在阳极和阴极材料222a-b之前、在电极材料224a-b之后、或者作为在电极材料226a-b中的层淀积集流体。本领域的技术人员应认识到，如果需要的话，可以首先淀积阴极，接着淀积阳极。
这种结构能够实现高表面积。燃料电池优选具有每平方厘米的基板至少1cm2的电极表面积，更优选的是每平方厘米的基板至少2cm2的电极表面积。在一个实施例中，如果沟槽26的深度是2μm，沟槽宽度为0.5μm，电解质“壁”宽度为0.5μm，那么在燃料电池叠层中重复单元的总长度为2μm。因此，每线性厘米有5000个电池。沟槽底部的面积给定为沟槽宽度*长度*电池的数量 (1)0.5μm*长度*5000/cm (2)或者每平方厘米的基板为0.25cm2。沟槽侧面的面积为沟槽深度*长度*2*电池的数量 (3)2.0μm*长度*2*5000/cm(4)这是因为各沟槽有两个侧面，或者每平方厘米的基板为2.0cm2。因此，总电极面积为每平方厘米的基板2.25cm2。
从上面可以看出，燃料电池叠层是由一系列的电解质“壁”和沟槽26形成的，如图3所示。电阻器18以平行于由电解质限定的沟道的长条形式分布在燃料电池叠层以下。电流通过触点30和32供应到电阻器18。热量从电阻器18通过电解质20传导到催化表面22和24。
叠层设计同时为优化电流和电压值以及功率控制提供了灵活性。电池可以互连以便串联和并联工作，从而分别提高电压和电流。大量的电池还可以通过使一些电池电分离的方式实现电流偏移。当对电流的需求降低时，保持连接的那些电池继续以它们的最大效率工作。相反，为了降低单电池系统的功率，既可以降低温度，也可以减少燃料输送，降低效率。
阳极和阴极表面可以以串联或并联的方式连接，如图4A和B所示。串联电路增加了由燃料电池叠层输送的电压，而并联电路增加了由电池输送的电流。可选择地，如图3所示，可以提供电路，从而以串联或并联的方式连接单个燃料电池，设置一组开关40以确定电流在那个结构中流动。在低需求时此开关还可以关闭部分叠层。设置在电路控制电阻器18中的类似开关42还会关闭用于不工作的那部分电路的加热器。
图3示出了以相互叠加的方式层叠的加热器和燃料电池电路。设置开关40，从而以串联或并联的方式构成燃料电池。为了以串联方式连接燃料电池，打开开关40a-e。开关401，n，和p也应该打开，剩余的开关应关闭。为了以并联的方式连接燃料电池，打开开关40f，h和j；剩余的开关应关闭。还可以控制开关以便仅连接一部分燃料电池。例如，关闭开关40k-q将连接燃料电池的最下面的单电池。再关闭开关40i和j同时打开开关40p将以串联的方式连接其它单电池。为了以并联的方式连接两个单电池，关闭开关k-q和开关40c，e和i。
开关42可以使电阻器18串联连接。通过打开和关闭适当的开关，可以对电阻器的选择部分进行加热。例如，为了加热电阻器元件的最下对，应关闭开关42h-n。为了增加另一排，应关闭开关42a-g。应打开剩下的开关。为了将第四电阻器元件加入到电路中，关闭开关42g-m，同时打开42a-f和n。本领域的技术人员会知晓如何构成各种开关40和42，从而打开和加热燃料电池的特定部分。
在一个实施例中，将空气/燃料混合物输送到燃料电池叠层，并且通过图5A和B中所示的管道50除去水和/或CO2，图5A和5B是垂直于彼此的侧视图。将空气/燃料混合物通过沟道52输送到叠层，水蒸汽和其它废气通过沟道54除去。图5B示出了对在沟道52和54之间的沟槽26进行封闭的管道。对于便携式装置，燃料的可更换或可再充满贮存器56可连接到沟道52。这种贮存器可包括取决于燃料的燃料重整器。典型的燃料重整器对本领域的技术人员来说是非常熟知的。废气可以释放到环境中或者收集到容器58中，此容器可根据需要倒空或去掉。用以从废蒸汽中除去水蒸汽的冷凝器60的采用会降低在这种容器中气体的含量。
在一可选实施例中，两个燃料电池10安装有彼此相对的沟槽，如图5C所示。空气流从燃料源62输送到沟槽，燃料源可包括贮存器、重整器或其它本领域技术人员所熟知的燃料转换或储存设备(图5D)。容器58可以设置在成对燃料电池的相对端部以收集废气，并且可包括冷凝器60。
从在此公开的本发明的具体说明和实践的考虑出发，对于本领域的技术人员而言，本发明的其它实施方式也是显而易见的。具体说明和实施例的内容仅作为举例，本发明的实际范围和精神实质通过下述权利要求书表明。
权利要求
1.一种燃料电池组件(10)，包括基板(16)；设置在基板(16)上的具有从基板向外突出的肋的电解质(20)，该肋具有第一侧面(21b)、第二侧面(21a)和顶表面；阳极(24)设置在第一侧面(21b)上；阴极(22)设置在第二侧面(21a)上；在从阳极、阴极、电解质中、肋和基板之间以及这些位置的任何组合中选出的位置处设置的电阻加热器(18)，还可能具有下述特征A)在电解质(20)和基板(16)之间设置的低导热陶瓷层(14)，和/或B)阳极集流体(25)和阴极集流体(23)，其中集流体设置在阳极和阴极内、电解质与阳极和阴极之间、以及阳极和阴极上方的构件处。
2.根据权利要求1的组件，其特征在于，电解质(20)具有由多条肋限定的多个平行沟槽(26)，各条肋具有第一侧面(21b)和第二侧面(21a)，各沟槽(26)具有设置在电解质(20)中的底面，所述组件还包括从肋的第二侧(21a)延伸出、跨过相邻沟槽(26)的底部、沿着其后的肋的第一侧(21b)延伸的多个交替的阴极(22)和阳极(24)，还可能具有下述特征A)阳极(24)和阴极(22)填充它们各自的沟槽(26)，和/或B)多个阳极(24)和阴极(22)适用于并构造成让一部分阳极(24)和阴极(22)与燃料电池(10)可电分离，其中加热器(18)适用于并构造成仅向没有电分离的阳极和阴极提供热量，和/或C)燃料电池的表面催化面积大于每平方厘米的基板为1cm2的构件。
3.根据权利要求2的组件，其特征在于，电解质(20)包括设置在凸部和基板之间的基层，电阻加热器(18)设置在从基层中和在基板(16)和基层之间选出的位置，还可能具有下述特征，电阻加热器(18)包括多个串联连接的电阻材料条。
4.根据权利要求2的组件，其特征在于，还包括A)适用于并构造成连接由并联和串联构成的组的构件中的阳极(24)和阴极(22)的电路，或者B)适用于并构造成允许阳极(24)和阴极(22)从串联电路向并联电路可逆地切换的电路；或者C)燃料电池从中得到燃料的腔室(56)和从燃料电池向其中流入废气的腔室(58)，其中燃料和废气腔室可任意选择地去除。
5.一种电气设备，包括权利要求2的燃料电池组件；具有入口(52)和出口(54)的管道(50)，其中流过入口(52)的流体可以沿多个平行沟槽(26)中流动；以及与入口流体连接的燃料源(56)，还可能具有下述特征与出口流体连接的废气存储容器(58)，和设置在废气存储容器中的冷凝器(60)，其中燃料源是特征在于可替换、可再充满的构件的贮存器。
6.一种电源，包括根据权利要求2的第一组件；以及根据权利要求2的第二组件；其中各组件具有沟槽侧和基板侧，电源适合于并构造成具有彼此面对的第一和第二组件的沟槽侧；以及第一和第二组件的沟槽彼此流体连接。
7.一种加热燃料电池的方法，该燃料电池包括设置在阳极和阴极之间的电解质，该方法包括让电流以与电解质热连接的方式通过电阻器，其中电流可任意选择地经过仅一部分电阻器。
8.一种制造燃料电池的方法，包括提供基板(16)；在基板(14)上淀积低导热材料；在低导热材料上淀积电阻加热器(18)；在电阻加热器上淀积电解质(20)；在电解质中形成第一多个平行沟槽(26)；在第一多个沟槽(26)的侧壁上淀积第一电极材料；在第一电极材料上淀积牺牲材料；形成第二多个沟槽(26)，其中第二多个沟槽和第一多个沟槽形成交替的沟槽；在第二多个沟槽的侧壁上淀积第二电极材料；以及除去牺牲材料以露出第一电极材料。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，还包括在电解质、沟槽的侧壁以及第一电极和第二电极材料的构件中设置集流体。
10.一种电气设备，利用权利要求1的燃料电池作为电源。
全文摘要
一种燃料电池组件(10)，包括基板(16)和设置在基板(16)上的具有从基板向外突出的肋的电解质(20)。此肋具有第一和第二侧面(21a和21b)和顶表面。阳极设置在第一侧面上；阴极设置在第二侧面(21a)上。燃料电池还包括在从阳极、阴极、电解质中、肋和基板之间以及这些位置的任何组合中选出的位置处设置的电阻加热器(18)。
文档编号H01M8/00GK1495952SQ0313306
公开日2004年5月12日 申请日期2003年7月23日 优先权日2002年7月23日
发明者G·S·赫尔曼, D·钱皮安, J·奥内尔, G S 赫尔曼, グ, 诙 申请人:惠普公司